第三十六章 外量子效率
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许秋将样品托放在手套箱的传送舱内，并不急着拿出来。
他跟随学姐，来到外量子效率的测试仪器旁，这里有一台电脑和一个黑色的箱体。
箱体在关闭状态下的遮光性很好。
打开箱体后，它的内部有光源、透镜、电源、检测器、升降平台，其中光源可以发射不同波长的单色光。
陈婉清开始操作示范。
她把标准硅电池放在升降平台上，并将其与电源和检测器连接，然后调节透镜，使光斑完全打在硅电池表面。
标准硅电池是10厘米×10厘米的，而光斑很小，所以操作起来没有什么难度。
接着打开电脑，开启测试软件，设置参数。
扫描区间设置为300-800纳米，步长设置为10纳米，
开始测试。
仪器“当当当”的运转起来，电脑上实时显示测试结果。
横坐标为波长，纵坐标为EQE值，从300纳米开始，每隔10纳米，产生一个数据点。
测试完成后，软件根据测试结果自动进行校准。
“学姐，接下来的操作换我来吧。”许秋已经通过系统影像提前看了一遍操作流程。
“你确定？等下测样品时光斑聚焦可不容易哦。”陈婉清道。
“没事，你放心。”
“好呀。”陈婉清说完将位置让给许秋。
许秋从传送舱将样品托取出，石英玻璃窗口的那一面朝上，放在升降平台上，将探针与电源和检测器连接。
接下来，要将光源的光斑聚焦在待测电池上。
这步操作确实比较难，因为每个电池器件的面积仅有0.09平方厘米。
如果光斑没有完全照射在这个范围内，那么范围外的光能将会损失，最终测试结果就会偏低。
不过这难不倒许秋，他耐心调试了一会儿，便将光斑调好，启动测试。
“你这操作可以啊。”陈婉清赞叹道。
“基本操作而已，不值一提。”许秋随意摆摆手道：“话说，为什么电池器件的面积要做的这么小呢，做一个1平方厘米的不好吗？”
“因为电池面积越大，光电转换效率就越低啊，”陈婉清道：
“现阶段为了获得高效率，大部分课题组都是做小面积的，一般国际惯例是0.09或0.04平方厘米，不过也有比较夸张的课题组，会做0.01平方厘米的器件。”
“让我想想，”许秋思考了一会儿，说道：
“我明白了，我们旋涂出来的有效层薄膜，肉眼看上去几乎是均匀的，但其实每个区域都有细微的差别。
比如一个0.09平方厘米的器件A，将其均分为9部分A1-A9，每一部分面积0.01平方厘米。
A1-A9的光电转换效率可能在5.0-5.5%之间波动，那么最终A的效率约为5.25%。
最后比较最高效率，0.09大面积的差不多在5.3%左右，而0.01小面积的则是5.5%，甚至能够波动到更高的数值。
是不是这个原因呢，学姐。”
“是呀，差不多就是这个样子，现在有机光伏还处于实验室阶段，所以没有统一的标准，”陈婉清道：
“我之前还看到一篇文献，标题上写着光电转换效率达到了15%以上，结果一看期刊是个SCI二区的。
我当时就震惊了，这就算发不了《自然》、《科学》，也能发一个它们的大子刊。
然后我就仔细看了正文，发现原来它用的是单色光，而不是模拟的太阳光，就是在标题搞了个噱头而已。”
…………
样品测试结束。
EQE曲线的形状大体上和有效层的光吸收光谱差不多，通过软件内自带的积分功能，可计算出理论上的短路电流密度。
这个样品的理论结果是11.96毫安每平方厘米，J-V曲线实测结果是12.05毫安每平方厘米。
两者误差在5%之间，表明后者的测试结果可信。
之后，许秋又测试了另外的五组器件。
到下午五点十五分，全部测试完毕。
“学姐预测的挺准啊，今天果然不用加班。”许秋道。
“熟能生巧嘛，”陈婉清道：“对了，晚上去吃什么？”
“怎么，学姐要请客吗？”
“上周不是答应你了嘛。”
“我当时就是开个玩笑，这怎么好意思，那就去吃哥老关火锅吧。”
“好呀。”
因为是周五晚上，吃火锅的人还是比较多的。
许秋取了个号，A65，前面还有12桌，估计要等一个小时左右。
等待期间，他也没闲着，向陈婉清请教问题。
虽然阅读文献也可以获得答案，但是真人指导效果自然是更好的。
搞科研是个系统的工作，遇到的各个细节都要弄明白，保不准哪天就会用上。
因为每测试的每一个数据，最终都要转化为对结果的论证，总不能在写论文时，告诉别人，我们测试了一个XXX，得到的数据是XXX，然后就截然而止。
必须对所得数据进行分析，讨论它与论文结论的关系。
如果是比较异常的结果，无法解释，那也要说明“这个现象我们暂时无法解释”，但这样的话出现一两次还可以，通篇都是“我们无法解释”的话，就会被审稿人教做人了。
“刚才测试时，我发现我们做的器件，大多数波长下的EQE值都在60%以下，而硅电池却能到80%以上，这是为什么呢。”许秋问道。
“简单来说，就是现在使用的P3HT材料存在很多问题，需要改进。
如果要具体展开来说，首先你要知道太阳能转化为电能的过程：
太阳光照射出光子，光电材料组成的有效层吸收光子，其内部产生电子-空穴对，然后电子-空穴对拆分为自由电荷、自由电荷在材料内输运，接着在电极处被收集，最终形成电流。
这个过程很复杂，中途任何一个步骤出现问题，都会导致电流损失，表观上看到的就是EQE低。”陈婉清道。
“我懂了，”许秋道：“所以人们就基于P3HT，进行改进，到现在最好用的给体材料就是PTB7-TH。”
“是啊，有机光伏领域发展了20年，材料也迭代了好多代，包括PTB7-TH，你知道它为什么叫这个名字吗？”陈婉清问道。
许秋摇摇头，他也只是知道一个名称而已。
陈婉清解释道：
“这是一个系列的材料，其中T表示噻吩并噻吩单元，B表示苯并噻二唑单元，P表示它是由这两个单元共聚而成的聚合物，所以最早它是叫PTB。
后来研究者们又基于PTB，对其进行改性，得到PTB2、PTB3，一直到PTB7。
再将PTB7上一个支链上的苯环改为噻吩环，所以加上了一个噻吩的缩写-TH，就得到了现在的PTB7-TH。
而且，这20年来，主要改进的方向都是聚合物给体材料，受体一直使用的都是PCBM系列。
或许将来某一天，受体领域也能够取得突破，对有机光伏领域造成翻天覆地的改变吧。”
许秋将样品托放在手套箱的传送舱内，并不急着拿出来。
他跟随学姐，来到外量子效率的测试仪器旁，这里有一台电脑和一个黑色的箱体。
箱体在关闭状态下的遮光性很好。
打开箱体后，它的内部有光源、透镜、电源、检测器、升降平台，其中光源可以发射不同波长的单色光。
陈婉清开始操作示范。
她把标准硅电池放在升降平台上，并将其与电源和检测器连接，然后调节透镜，使光斑完全打在硅电池表面。
标准硅电池是10厘米×10厘米的，而光斑很小，所以操作起来没有什么难度。
接着打开电脑，开启测试软件，设置参数。
扫描区间设置为300-800纳米，步长设置为10纳米，
开始测试。
仪器“当当当”的运转起来，电脑上实时显示测试结果。
横坐标为波长，纵坐标为EQE值，从300纳米开始，每隔10纳米，产生一个数据点。
测试完成后，软件根据测试结果自动进行校准。
“学姐，接下来的操作换我来吧。”许秋已经通过系统影像提前看了一遍操作流程。
“你确定？等下测样品时光斑聚焦可不容易哦。”陈婉清道。
“没事，你放心。”
“好呀。”陈婉清说完将位置让给许秋。
许秋从传送舱将样品托取出，石英玻璃窗口的那一面朝上，放在升降平台上，将探针与电源和检测器连接。
接下来，要将光源的光斑聚焦在待测电池上。
这步操作确实比较难，因为每个电池器件的面积仅有0.09平方厘米。
如果光斑没有完全照射在这个范围内，那么范围外的光能将会损失，最终测试结果就会偏低。
不过这难不倒许秋，他耐心调试了一会儿，便将光斑调好，启动测试。
“你这操作可以啊。”陈婉清赞叹道。
“基本操作而已，不值一提。”许秋随意摆摆手道：“话说，为什么电池器件的面积要做的这么小呢，做一个1平方厘米的不好吗？”
“因为电池面积越大，光电转换效率就越低啊，”陈婉清道：
“现阶段为了获得高效率，大部分课题组都是做小面积的，一般国际惯例是0.09或0.04平方厘米，不过也有比较夸张的课题组，会做0.01平方厘米的器件。”
“让我想想，”许秋思考了一会儿，说道：
“我明白了，我们旋涂出来的有效层薄膜，肉眼看上去几乎是均匀的，但其实每个区域都有细微的差别。
比如一个0.09平方厘米的器件A，将其均分为9部分A1-A9，每一部分面积0.01平方厘米。
A1-A9的光电转换效率可能在5.0-5.5%之间波动，那么最终A的效率约为5.25%。
最后比较最高效率，0.09大面积的差不多在5.3%左右，而0.01小面积的则是5.5%，甚至能够波动到更高的数值。
是不是这个原因呢，学姐。”
“是呀，差不多就是这个样子，现在有机光伏还处于实验室阶段，所以没有统一的标准，”陈婉清道：
“我之前还看到一篇文献，标题上写着光电转换效率达到了15%以上，结果一看期刊是个SCI二区的。
我当时就震惊了，这就算发不了《自然》、《科学》，也能发一个它们的大子刊。
然后我就仔细看了正文，发现原来它用的是单色光，而不是模拟的太阳光，就是在标题搞了个噱头而已。”
…………
样品测试结束。
EQE曲线的形状大体上和有效层的光吸收光谱差不多，通过软件内自带的积分功能，可计算出理论上的短路电流密度。
这个样品的理论结果是11.96毫安每平方厘米，J-V曲线实测结果是12.05毫安每平方厘米。
两者误差在5%之间，表明后者的测试结果可信。
之后，许秋又测试了另外的五组器件。
到下午五点十五分，全部测试完毕。
“学姐预测的挺准啊，今天果然不用加班。”许秋道。
“熟能生巧嘛，”陈婉清道：“对了，晚上去吃什么？”
“怎么，学姐要请客吗？”
“上周不是答应你了嘛。”
“我当时就是开个玩笑，这怎么好意思，那就去吃哥老关火锅吧。”
“好呀。”
因为是周五晚上，吃火锅的人还是比较多的。
许秋取了个号，A65，前面还有12桌，估计要等一个小时左右。
等待期间，他也没闲着，向陈婉清请教问题。
虽然阅读文献也可以获得答案，但是真人指导效果自然是更好的。
搞科研是个系统的工作，遇到的各个细节都要弄明白，保不准哪天就会用上。
因为每测试的每一个数据，最终都要转化为对结果的论证，总不能在写论文时，告诉别人，我们测试了一个XXX，得到的数据是XXX，然后就截然而止。
必须对所得数据进行分析，讨论它与论文结论的关系。
如果是比较异常的结果，无法解释，那也要说明“这个现象我们暂时无法解释”，但这样的话出现一两次还可以，通篇都是“我们无法解释”的话，就会被审稿人教做人了。
“刚才测试时，我发现我们做的器件，大多数波长下的EQE值都在60%以下，而硅电池却能到80%以上，这是为什么呢。”许秋问道。
“简单来说，就是现在使用的P3HT材料存在很多问题，需要改进。
如果要具体展开来说，首先你要知道太阳能转化为电能的过程：
太阳光照射出光子，光电材料组成的有效层吸收光子，其内部产生电子-空穴对，然后电子-空穴对拆分为自由电荷、自由电荷在材料内输运，接着在电极处被收集，最终形成电流。
这个过程很复杂，中途任何一个步骤出现问题，都会导致电流损失，表观上看到的就是EQE低。”陈婉清道。
“我懂了，”许秋道：“所以人们就基于P3HT，进行改进，到现在最好用的给体材料就是PTB7-TH。”
“是啊，有机光伏领域发展了20年，材料也迭代了好多代，包括PTB7-TH，你知道它为什么叫这个名字吗？”陈婉清问道。
许秋摇摇头，他也只是知道一个名称而已。
陈婉清解释道：
“这是一个系列的材料，其中T表示噻吩并噻吩单元，B表示苯并噻二唑单元，P表示它是由这两个单元共聚而成的聚合物，所以最早它是叫PTB。
后来研究者们又基于PTB，对其进行改性，得到PTB2、PTB3，一直到PTB7。
再将PTB7上一个支链上的苯环改为噻吩环，所以加上了一个噻吩的缩写-TH，就得到了现在的PTB7-TH。
而且，这20年来，主要改进的方向都是聚合物给体材料，受体一直使用的都是PCBM系列。
或许将来某一天，受体领域也能够取得突破，对有机光伏领域造成翻天覆地的改变吧。”